基于Zigbee及GSM技术的智能家居系统的研究
Research on Smart Household System Based on Zigbee and GSM Technology
边洪宁 BIAN Hong-ning；王红 WANG Hong；张红霞 ZHANG Hong-xia；张静 ZHANG Jing
（山东协和学院，济南 250107）
（Shandong Xiehe University，Ji′nan 250107，China）
摘要：智能家居系统是智能家居控制技术和物联网技术完美结合的产物。本文在系统整体设计方案、最小系统设计、ZigBee无线自动组网技术、GSM网络远程监控方式、系统拓扑结构、模块的选择及系统应用产品作了阐述。该系统能满足现代智能家居的要求。
Abstract: The smart household system if the product of perfect combination of smart household control and Internet of things technology. This article expounds the system overall design scheme, minimum system design, ZigBee automatic wireless network technology, GSM network remote monitor and control mode, of system topology structure, module selection and system application products. The system can meet the requirements of the modern smart household.
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关键词 ：智能家居；ZigBee；自动组网；GSM
Key words: intelligent household；ZigBee；automatic network；GSM
中图分类号：TP273+.5文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）20-0151-02
0引言
随着网络技术和通信技术的不断发展，以及人们对生活要求的不断提高，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势。智能家居系统指的是在一个家居中建立一个通信网络，将家居中各种单元互相连接起来，实现对所有网络上的家电设备进行远程控制和家居环境参数的监控。
目前，大多数家庭的控制网络采用的都是有线连接，虽然有线连接方式具有稳定可靠，高速率等诸多优点，但同时具有可变性及灵活性不够，维护和升级成本高等缺点。一小部分家庭采用小范围的无线网络，但仅仅局限于zigbee技术，应用的灵活性远远达不到人们的生活要求。本文将zigbee技术与GSM技术结合起来，利用技术稳定成熟的GSM通信技术实现了智能家居系统的远程无线控制，提升了智能家居系统的应用空间，让人们的生活实现真正的无限。
1系统整体设计方案
基于Zigbee和以太网的智能家居系统由监控节点、网关节点和远程监控端组成，监控节点通过Zigbee技术与网关节点连接，网关节点通过以太网连接路由器，远程监控端通过因特网对智能家居系统进行监控。其中监控节点又分为灯光音乐控制节点和温湿度监测节点。网关节点由最小系统、Zigbee协调器、以太网控制模块和视频监控模块组成。最小系统由控制芯片和Flash存储器组成。
整个系统由远程控制端控制，用户通过操作PC机上的监控界面实现对系统的监控，包括灯光音乐、温湿度监测，系统框图如图1所示。
2最小系统设计
Zigbee模块、以太网控制模块分别通过同步串行口接口、串行外设接口与最小系统通讯，网关节点的最小系统由处理器、存储器、电源模块、通用异步收发传输器和复位电路组成，网关节点最小系统结构如图2所示。
3Zigbee无线自动组网技术
系统以Zigbee无线的方式，通过摸屏主机，把智能开关、智能插座、红外-射频转发器、情景面板、烟雾报警器、摄像头等智能家居系统所包含的设备连接成一个完全双向的网络。网络由于符合Zigbee协议标准，继承了Zigbee网络可靠性高、安全性强、响应快速、组网自动化、自动诊断和恢复系统故障等先天性的优势。
ZigBee是采用碰撞避免机制[1]，每个发送的控制命令或者传输的数据都由接收方确认收到，并回复一个确认的信息。若没有得到确认讯息的回复就表示发生了碰撞，将再次传送，这样系统信息的传输变得非常可靠。符合Zigbee标准的智能家居系统受到干扰的情况下减少控制失灵的可能性，系统可靠性强。
一个ZigBee的网络最多可以包括65536个网络设备节点。这些网络节点可以自动组建成一个网状（Mesh）网络，并且新添加的节点也会自动加入到网络中。系统实现了系统的自动组网，而无需任何的“对码”。而且，由于系统是一个网状（Mesh）网络，也就是系统的插座等设备都可以作为路由来起到数据和命令传输中继的作用，系统自动、动态选择通讯路线来传输数据和命令。即使某一个设备出现故障，系统会自动识别故障设备并重新选择通讯的线路，保证整个系统的通讯正常。
ZigBee提供了数据完整性检查功能，阻止攻击者对数据进行修改；提供认证功能，阻止攻击者修改、模仿Zigbee设备；采用128bits AES加密算法，防止侦听数据。
4GSM网络远程监控方式
ZigBee网络范围仅限于范围比较小的区域[2]，因此ZigBee网络必须与其他网络连接实现远程监控。远程监控的方式包括GSM网络、GPRS和Interner网络三种。本系统采用GSM网络作为远程通信监控方式，简答易行，可靠性好，稳定性强。
5系统拓扑结构
系统拓扑图如图3所示。
6模块的选择
6.1 Zigbee通讯模块
选用集成的Zigbee模块自行设计。开发周期短,不需要消化模块的协议找,通过AT指令或API即可实现模块的应用开发。
6.2以太网控制模块[3]
本系统选用以太网接口芯片W5300,这款接口芯片可以支持SPI接口或者并行接口;硬件集成TCP/IP协议,同时也支持软件TCP/IP协议;芯片可以额外连接PHY芯片,满足物理层的特殊要求。
7系统应用产品
如表1所示，系统应用的产品在家庭中的具体使用区域。
8效果及结论
本文将zigbee技术与应用稳定成熟的GSM通信技术实现了智能家居系统的远程无线控制。该智能家居系统通过监控节点、网关节点和远程监控端组实现了家居内利用监控节点控制家电运行状态以及其他家电参数，家居外利用PC机通过因特网远程监控各节点，同时系统引入GSM技术，真正实现了对家居系统随时随地的无线监。该系统结构简单，维修方便，在一定程度上加进了智能家居系统研究的进程，具有广阔的社会应用前景。
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参考文献：
[1]李海，薛海伟.物联网ZigBee网关的设计与实现[J].价值工程，2014：227-228.
[2]江丹丹，唐煜程，唐冬.一种基于ZigBee及GSM混合网络的轻智能家居安防系统设计[J].现代电子技术，2015.38（3）：6-8.
[3]刘黎明，王用玺.基于NicheStack TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器的设计与实现[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2015，30（1）：95-99.